技術比較

對于工業狀態監測和預見性維護應用，以下振動規范參數被認為是確保長期、可靠、穩定和準確性能的關鍵。

·          寬頻響應

·          測量分辨率和動態范圍

·          基于最小偏移量的長期穩定性

·          工作溫度范圍

·          封裝選項和安裝便捷性

·          傳感器輸出選項

在以下段落中，我們將比較典型壓電狀態監測加速度傳感器和寬帶 MEMS 可變電容加速度傳感器（也用于狀態監測應用）的這些關鍵性能規格。

兩種加速度傳感器的滿量程 (FS) 均為 ±50g。

頻率響應

我們在 SPEKTRA GmbH CS18 HF 高頻校準振動臺（振幅范圍為 5Hz 至 20KHz）上測試了兩種加速度傳感器的頻率響應。傳感器安裝牢固，以確保在整個測試范圍內獲得準確結果。我們對每種技術（PE 和 MEMS VC）各測試了三個傳感器，以確保結果的一致性。

測試結果說明如下。假設最大 ±1dB 的幅度偏差作為可用帶寬，但帶寬容差通常使用 ±5% 的更嚴格的偏差。數據表明，VC MEMS 傳感器的可用帶寬高達 3KHz，而壓電傳感器的可用帶寬 >10KHz（該特定 PE 傳感器的可用帶寬在最高 14KHz 的規格范圍內）。

值得注意的是，PE 傳感器的低頻截止頻率為 2Hz，而 MEMS 傳感器的響應頻率低至 0Hz，因為它是一個直流響應器件。

測量分辨率和動態范圍

為確定壓電傳感器和 VC MEMS 傳感器的測量分辨率和動態范圍，我們在隔離室中對樣品進行了測試，該室具有最先進的測量設備，能夠實現 micro-g 測量分辨率。這些裝置安裝在同一腔室內并同時進行測試，以消除外界環境干擾造成的任何誤差。

測量在四個不同帶寬設置下進行，并且在每個設置下測量殘留噪聲。測量結果詳見下表。

各種帶寬下的殘留噪聲比較

測量分辨率比較

基于最小偏移量的長期穩定性

PE 傳感器的長期穩定性在 30 多年的現場安裝中是眾所周知的。壓電晶體具有固有穩定性，隨著時間的推移仍表現出優異的穩定性。長期漂移參數也將取決于所用的晶體配方，因此難以呈現實際值。石英材料的 PE 加速度傳感器具有最佳的長期穩定性，但受產量和成本限制，極少用于狀態監測中。PZT（鋯鈦酸鉛-鋯酸鹽）晶體是 PE 加速度傳感器中最常用的晶體，并且正日益成為大多數應用的理想晶體選擇。

可變電容 MEMS 加速度傳感器還具有寬范圍的長期漂移限制，具體取決于 MEMS 設計結構。雖然體硅微加工 MEMS 傳感器具有最佳的長期漂移，但其成本也明顯更為昂貴，因此通常只用于慣性應用中。針對狀態監測，MEMS 供應商提供了一種表面微加工 VC MEMS 傳感器，這類傳感器的成本雖然要便宜得多，但最終用戶將無法獲得較好的測量分辨率和長期穩定性。表面微加工設計的 MEMS 結構不如體硅微加工的 MEMS 傳感器穩定。

工作溫度范圍

PE 和 VC MEMS 加速度傳感器的工作溫度范圍相當，并且兩者都適用于 -40°C 至 +125°C 的典型狀態監測應用環境。在某些極端安裝中，可能需要更高溫度范圍的傳感器，其中充電模式壓電傳感器將是推薦的選擇。不包括板載充電轉換器電路的充電模式 PE 加速度傳感器可用于超過 +700℃ 的溫度。

封裝選項和安裝便捷性

對于小型機械的嵌入式狀態監測裝置，尺寸和安裝選項都會成為選擇加速度傳感器的重要考量因素。大型機械通常使用外部 TO-5 螺柱安裝的加速度傳感器，但對于具有小型軸承和旋轉軸的機械來說，則需要使用嵌入式或微型加速度傳感器。

大多數 VC MEMS 加速度傳感器采用 SMT 表貼式封裝方式，該封裝非常適合大批量 PCBA 組裝。VC MEMS 傳感器還提供非常小的封裝方式，可實現更多封裝選擇。

PE 加速度傳感器具有多種配置。可提供 SMT 安裝版本，類似于 VC MEMS，但 SMT 封裝的尺寸通常大于 VC MEMS 設計。PE 加速度傳感器還采用堅固的 TO-5 罐封裝，帶有不銹鋼外殼。這些設計允許直接安裝到軸承座或嵌入式安裝。下圖展示了 PE 傳感器的一些可用封裝選項。

傳感器輸出選項

根據具體的安裝和應用不同，可能需要選擇傳感器輸出信號選項。目前大多數預見性維護安裝需要來自傳感器的模擬信號，以便最終用戶可以決定監測特定機械的哪些參數。通常，信號輸出由 DAQ 或 PLC 接口驅動，而模擬輸出（±2V 或 ±5V）是最常見的選擇。但是，對于需要長電纜的安裝，環路供電 4-20mA 的傳感器也很常見。在未來數字化工廠和工業 4.0 中，對數字輸出信號的需要將變得更加普遍，帶有板載微處理器的智能傳感器可以幫助最終用戶做出即時維護決策。

這些輸出信號選項均將在 PE 和 VC MEMS 傳感器中提供。兩種技術都能夠提供這些功能。

前面段落中討論的所有或部分性能參數將幫助客戶對狀態監測裝置所選擇的技術做出明智的決策。下表提供了一個快速匯總。

匯總比較表

結論

我們已經比較了 MEMS 和 PE 加速度傳感器的不同技術特性。這兩種技術各有優劣，具體取決于最終應用。在我們的工業狀態監測和預見性維護應用中，壓電傳感器是顯而易見的選擇，由于其成熟的技術，它們可長期穩定地保持可靠性。憑借其寬頻率響應，嵌入式 PE 加速度傳感器是從低速到高速機械的理想選擇，它們還可為早期故障檢測提供更好的信號分辨率。

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